船舶推進軸系沖擊建模和仿真研究

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(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

船舶推進軸系包括主機輸出端推力軸承與螺旋槳之間的傳動軸以及軸系附屬設備。船舶軸系設備沖擊響應是指軸系及附屬設備的沖擊強度、剛度問題，即沖擊作為一種動載荷對推進軸系及軸系附屬設備材料的破壞，主要涉及材料剛度失效(大變形)和強度失效(材料進入塑性屈服階段或斷裂)兩種形式。推進軸系的抗沖擊能力直接關系到船舶動力系統的生存能力，但由于推進軸系結構尺寸大，附屬設備多，幾乎無法完成實船沖擊實驗，根據船舶建造規范-沖擊安全性要求，對于不能做沖擊試驗或爆炸試驗的沖擊安全A和B級的設備應該進行沖擊計算，沖擊計算要驗證設備本身和設備支撐位置(基座、局部甲板和艙壁、動力的輸入部位等)承受沖擊的能力。所以本文采用有限元法，建立船舶推進軸系沖擊模型，使用加速度為沖擊輸入條件下，完成推進軸系抗沖擊仿真計算研究，為推進軸系抗沖擊計算提供一種計算思路[1]。

1 推進軸系有限元建模

為保證推進軸系有限元分析的準確性，在建模時將軸系及附屬設備均按實際結構進行建模，另一方面為節約有限元仿真計算時間，需要對于局部結構進行有效的簡化。

其中軸系基本參數為軸系長度約65 m；中間軸段直徑約410 mm；螺旋槳軸直徑約510 mm；軸段材料屈服極限580 MPa；螺旋槳簡化為均質圓盤，其質量約12 000 kg。

根據實船情況，對軸系及其附屬設備模型簡化如下。

1)簡化模型中倒角、孔、鍵槽以及階梯過渡部位。

2)簡化推力軸承、中間軸承等外連的油管路、水管路和質量較輕的端蓋等。

3)簡化緊固件采用螺栓孔內部所有節點剛性連接的處理方式。

4)簡化軸承軸瓦與軸頸的連接處理，軸頸-軸瓦之間的非線性“接觸”關系以線性連接關系替代，另外由于沖擊作用時間較短，所以又認為接觸之前的油膜阻尼力耗功可以忽略，忽略油膜力的作用，假設軸頸和軸瓦為一種純接觸關系，兩者之間的間隙通過ANSYS 軟件接觸計算模塊功能調整為零。

5)簡化推力軸承推力塊與平衡塊、平衡塊與套環之間連接的“接觸”模型，“推進軸-推力塊-平衡塊-套環”子系統采用“接觸”連接模型。

有限元模型網格劃分采用六面體單元和四面體單元相結合，使得有限元分析具有較高的精度和較少的單元和節點總數；在結構復雜的零件上使用四面體網格進行劃分，但是為了保證有限元仿真計算的準確性，應將細化網格單元比例控制在一定范圍內。有限元網格尺寸和質量的劃分情況如下。

平均單元尺寸為20 mm，最小尺寸5 mm，實體單元采用solid45單元，彈簧單元采用combin14單元，接觸單元contact173和target170。

單元采用六面體結構，四面體單元數≤6%，除結構外，不允許有兩個以上的四面體單元連在一起。不能出現奇數節點孔，孔周圍盡量不出現三角形單元。推進軸系有限元模型及邊界處理見圖1～3。

圖1 軸承軸瓦與軸頸線性連接方式

圖2 軸段有限元模型

圖3 螺旋槳軸有限元模型

2 沖擊計算邊界輸入

沖擊仿真計算是“固定基礎”的運動(沖擊激發)導致系統的響應，對于推進軸系來說，沖擊響應計算首先得確定其“固定基礎”，即所有與設備相連但沒有被包含該設備沖擊動力學模型部分的部件與該設備的分界界面，所有界面的剛性連接即為“固定基礎”，由于整個推進軸系為一個位置跨度大的系統，所以，固定基礎每一處激勵均相等的基本假設不適合推進軸系，所以本文將整個推進軸系沿軸向分成幾個部分，從而將推進軸系沖擊計算轉換為分段沖擊計算。

(1)

(2)

(3)

令y(t)=x(t)-u，則有

(4)

(5)

(6)

圖4 三質量系統基礎沖擊模型

從基礎沖擊激勵下系統的動力學方程可以看出，基礎加速度沖擊激勵實際上等效于施加在各質量點上。求解以上公式即可得到各質量點的位移、速度和加速度響應時間歷程。而系統應力即彈簧彈性力為k2y2、k3(y3-y2)、k4(y3-y4)。基礎加速度運動激勵實際上是施加在系統各質量點上，而系統在界面與“激發平臺”固接。進而延伸到有限元離散系統中， ANSYS軟件進行瞬態響應計算時，基礎加速度運動沖擊激勵施加在“Global”單元即所有單元體上，而系統在“固定基礎”處六個自由度全約束[2]。

根據沖擊標準BV0430，選沖擊設計輸入激勵選擇組合雙三角波加速度時間歷程曲線，見圖5。

圖5 BV0430沖擊規范組合雙三角波時間歷程

根據標準對A類設備規定沖擊值進行沖擊加速度計算，其中縮減系數a0=0.32，垂向和橫向沖擊加速度及時間見表1。

表1 沖擊輸入表

3 軸系有限元分析結果

根據ANSYS仿真計算可求得軸系在沖擊加速度作用下的應力及變形，根據計算結果分析判斷軸系受沖擊后的情況是否滿足要求。

3.1 垂向沖擊結果

垂向沖擊結果見圖6～9。

圖6中最大應力481 MPa，位于沿艏艉方向第二個法蘭連接處(螺栓孔內)。

圖6 中間軸段瞬時應力

圖7 中間軸段瞬時變形

圖7中最大變形28 mm，位于沿艏艉方向第二個法蘭連接處。

圖8 最大應力節點的應力時間歷程

圖8中應力最大值出現在沖擊持續時間之外，即殘余響應大于主響應。

圖9 螺旋槳軸段瞬時應力分布

圖9中最大應力588 MPa，位于艉軸架軸承工作軸頸靠螺旋槳一側位置，這主要是由螺旋槳的大質量引起的[3]。

3.2 橫向沖擊結果

橫向沖擊結果見圖10～圖13。

圖10 軸段最大瞬時應力分布

圖10中最大應力109 MPa，較大應力位于軸段的兩端。

圖11 最大瞬時位移響應

圖11中最大響應位移16 mm，較大位移位于各支撐軸承之間的中間位置。

圖12 螺旋槳軸段瞬時應力分布

圖12中最大應力530 MPa，位于艉軸架軸承工作軸頸靠螺旋槳一側位置，這主要是由螺旋槳的大質量引起的。

圖13 最大位移響應位移

圖13中螺旋槳軸最大位移為8.7 mm，位于螺旋槳位置[4]。

3.3 垂向沖擊時的狀況

1)中間軸段危險截面為法蘭連接螺栓及螺栓孔處，應力達到了481 MPa，最大變形28 mm。

2)沖擊的殘余響應大于主響應，所以在軸系設計時，應考慮殘余響應對螺栓連接強度的影響。

3)螺旋槳軸應力最大值出現在艉軸架軸承和螺旋槳之間軸系處，最大應力達到588 MPa。

3.4 橫向沖擊時的狀況

1)中間軸段危險截面為支撐軸承之間的軸段，應力為109 MPa，最大變形16 mm。

2)螺旋槳軸應力最大值出現在尾軸架軸承和螺旋槳之間軸系處，最大應力達到530 MPa。

3)螺旋槳軸最大位移為8.7 mm，位于螺旋槳槳葉位置。

4 結束語

根據仿真結論可知，軸系在受沖擊作用時軸系的局部最大應力有可能瞬時超過材料的屈服極限，而這個過程隨沖擊時間的變化而變化，因此在軸系設計過程中，在軸系關鍵性設備及零部件處應充分考慮其抗沖擊能力。

[1] GJB1060.-91艦船環境條件要求機械環境[S].北京：國防科學技術工業委員會，1991.

[2] 孫洪軍,鄭 榮.船舶推進軸系抗沖擊動力學建模與仿真[J].噪聲與振動控制.2003，8(4)：16-18.

[3] 高耀東，郭喜平.ANSYS機械工程應用25例[M].北京：電子工業出版社，2007.

[4] 盛和太，喻海良.ANSYS有限元原理與工程應用實例大全[M].北京：清華大學出版社，2006.